ilhamento em um sistema com geraÃ§Ã£o distribuÃda - NUPET - UTFPR

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D AE L T – D e p ar t am en t o A c a d êm ic o d e E l etr o t é c ni c a / U T FP R – U n i ver si d a d e T e c n ol ó g ic a Fe d er al d o P araná estabilidade dessas proteções, ou seja, a sua não atuação quando não necessário. O estudo do sistema de GD foi realizado a partir de simulações com a ferramenta computacional SimPowerSystems, da plataforma Matlab. 2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS RELÉS ANTI-ILHAMENTO Um gerador síncrono quando conectado em paralelo ao sistema elétrico (barramento infinito), possuirá obrigatoriamente a mesma frequência do sistema, fazendo com que sua velocidade e tensão sejam controladas para evitar elevações e diminuições na frequência e tensão nos terminais. No entanto, quando o sistema elétrico é desconectado e o gerador continua atendendo a uma determinada carga, na configuração de ilhamento, ele poderá acelerar ou desacelerar em função da potência da carga, do regulador de velocidade e de seus aspectos dinâmicos. Caso ocorra essa mudança de carga, o gerador irá acelerar ou desacelerar rapidamente antes do regulador de velocidade responder, fazendo com que a frequência do gerador mude instantaneamente. Esta mudança de frequência não deve ocasionar grandes problemas às cargas que estão sendo alimentadas, visto que após alguns segundos, o regulador de velocidade irá atuar para corrigir a mudança (NAISANI et al, 2010; PUJHARI, 2009; KUMPULAINEN et al, 2005). As funções de proteção de métodos passivos (relés de taxa de variação de frequência e deslocamento de fase, dentre outros) medem e monitoram o estado do sistema elétrico continuamente, a partir da medição de diferentes grandezas, como potência, tensão, corrente, frequência dentre outras. Essas grandezas tendem a variar quando da ocorrência do ilhamento (PUJHARI, 2009). Caso as grandezas monitoradas variem e ultrapassem os limites estabelecidos, o sistema de proteção atuará detectando o ilhamento. Os métodos passivos de detecção são particularmente interessantes, devido principalmente ao seu baixo custo e sua fácil instalação, no entanto o desempenho desse método é prejudicado caso a diferença entre a potência da geração e da carga seja pequena. Dessa forma, os ajustes destas proteções devem ser estudados de forma cautelosa, para minimizar as chances de ocorrência de atuação indevida principalmente em casos de curto-circuito ou chaveamento de cargas. 2.1. Relé de taxa de variação de frequência O relé de taxa de variação de frequência (df/dt), função 81 df/dt, em inglês rate of change of frequency (ROCOF), é um relé para proteção de GD que tem sido bastante estudado nos últimos anos, devido a sua capacidade em detectar variações de frequência no sistema. Quando o desbalanceamento de carga na configuração de ilhamento for pequeno, a frequência variará lentamente, fazendo com que os relés de sub/sobrefrequência não atuem (tempo de atuação menor que 400 ms) (VIEIRA et al, 2005). Utiliza-se então, a taxa de variação de frequência no tempo como grandeza auxiliar para a detecção de mudanças lentas na frequência do sistema elétrico, a função responsável por essa detecção é denominada de taxa de variação de frequência. Estudos mostram que este relé pode ser utilizado como solução para determinadas condições de ilhamento, nas quais as variações de frequência, descritas anteriormente, possam ocorrer e afetar o correto funcionamento do sistema elétrico (CIGRÉ Working Group B5.34, 2010). Figura 1 - Diagrama equivalente do gerador síncrono com o relé ROCOF Fonte: Autoria própria A variação de frequência em um sistema elétrico de potência é causada pelo desequilíbrio entre a potência elétrica fornecida pelo gerador e a potência elétrica da carga prevalecente. A taxa de variação de frequência (df/dt) é dada pela equação (1), a qual considera que o valor de df/dt é diretamente proporcional à variação de potência ∆P e inversamente proporcional a constante de inércia (H) e a potência nominal (G). Esta expressão linearizada também considera que os intervalos de tempo são tão pequenos que o regulador de velocidade e a dinâmica da máquina podem ser desprezados (CIGRÉ Working Group B5.34, 2010). = ∆. .. (1) 2.2. Relé de deslocamento de fase O relé de deslocamento de fase (phase displacement), função 78, é também conhecido como relé de salto vetorial (vector shift), ou ainda, salto de vetor (phase jump ou vector jump). Assim como o relé ROCOF, o relé de deslocamento de fase tem ganhado espaço nos últimos anos devido à expansão do sistema de geração distribuída e também devido à necessidade de melhoria dos métodos tradicionais para a detecção do ilhamento (CIGRÉ Working Group B5.34, 2010).
D AE L T – D e p ar t am en t o A c a d êm ic o d e E l etr o t é c ni c a / U T FP R – U n i ver si d a d e T e c n ol ó g ic a Fe d er al d o P araná O princípio de funcionamento desta função de proteção é baseado na variação angular entre a tensão de fase interna do gerador, E f , e a tensão nos terminais do gerador V t (∆δ – variação do ângulo de carga do gerador) sofrida no momento da desconexão da rede principal. A figura 2 mostra o circuito equivalente de um gerador síncrono de pólos lisos enquanto a figura 3 (a) apresenta o diagrama fasorial do gerador antes da perda da rede principal (ângulo de carga δ, circuito em regime permanente). Quando um gerador continua atendendo a uma carga na configuração de ilhamento, no momento da perda da rede principal (rede da concessionária) ocorre uma variação no ângulo de carga do gerador, pois a tensão V t varia no momento da desconexão da rede. Esta variação pode ser visualizada na figura 3 (b). A alteração angular sofrida ∆δ ocasionará um aumento ou diminuição na duração do ciclo da tensão. A variação do ângulo de carga está ligada à aceleração ou desaceleração do gerador, em função da potência solicitada pela carga ilhada (JENKINS et al, 2008; NAISANI et al, 2010). Figura 2 - Circuito equivalente gerador síncrono de pólos lisos Fonte: Autoria própria Figura 3 - (a) Fasores Ef (tensão interna do gerador) e Vt (tensão nos terminais do gerador), ângulo δ (ângulo de carga do gerador) antes da desconexão da rede da concessionária; (b) Fasores Ef e Vt’ (nova tensão nos terminais), deslocamento angular ∆δ na situação de ilhamento. Fonte: Jenkins et al, 2008, adaptado. O relé de proteção pode realizar a medição do ângulo entre as tensões interna e terminal em cada fase a cada meio ciclo, por exemplo. Após esta medição, um processador compara a diferença angular entre a medição atual e a anterior, comparando em seguida o resultado com o valor de limiar pré-ajustado. Para aumentar a estabilidade do relé de proteção, pode-se utilizar esta função em conjunto com as funções de sub-tensão e/ou sobre tensão de sequência negativa, para evitar disparos incorretos, como por exemplo, quando da ocorrência de contingências no sistema da concessionária para as quais outras proteções específicas, diferentes dos relés anti-ilhamentos, devem atuar (CIGRÉ Working Group B5.34, 2010). 3. MODELAGEM DO SISTEMA DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E SIMULAÇÃO Para a realização das simulações dinâmicas propostas e apresentadas neste trabalho, utilizou-se como ferramenta computacional o SimPowerSystems 2 . O sistema elétrico de geração distribuída em estudo foi baseado em dados reais de um sistema elétrico. O diagrama unifilar do sistema é mostrado na figura 4. O sistema com geração distribuída em estudo é formado pelo sistema da concessionária, o qual é composto por uma usina de geração em 34,5 kV com potência de curto-circuito de 400 MVA conectada ao sistema de distribuição de 34,5 kV através da subestação de transferência ST. O gerador síncrono da CGH (300 kVA – 400 V) é conectado no sistema de 34,5 kV através do transformador elevador T1 na barra de interconexão (BI). As cargas 1 e 2 são conectadas nas barras BT2 e BT3 da rede de média tensão através dos transformadores abaixadores T2 e T3, respectivamente. Os relés de taxa de variação de frequência e deslocamento de fase foram implementados computacionalmente a partir da utilização de blocos de controle e comparação disponíveis na biblioteca do Simulink, mediante a verificação das grandezas velocidade e ângulo de fase do gerador da CGH. O modelo utilizado foi baseado em VIEIRA (2006). Os relés implementados foram associados ao relé de mínima tensão que visa bloquear a operação dos relés anti-ilhamento quando a magnitude da tensão está abaixo de um valor pré-definido. 2 O SimPowerSystems é uma ferramenta utilizada para estudos de transitórios eletromecânicos, eletromagnéticos, estabilidade transitória e fluxo de carga em sistemas elétricos, sendo integrado a plataforma Matlab/Simulink.
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